应力监控在紧邻客专转体桥施工中的应用

陈建强 邬苏凡 曹选珠 黄平 李若铭

摘要：研究目的：应力监控是大跨度桥梁施工过程中线性控制的主要依据，故加强在施工过程中对桥梁关键部位的应力监控显得尤为重要。本文通过对四环转体桥的长期应力监控，整理大量实测数据，并通过与理论模型计算的数据比较分析；研究对各种因素对梁体应力的影响情况。

研究结论：①本桥箱梁采用C50混凝土，转体前梁体受力最不利阶段和成桥后主桥箱梁混凝土中的正应力均控制在规范容许的范围之内，结构比较安全。②与理论应力相比，实测应力存在一定的偏差，这是因为实测应力结果涉及到所有影响因素，在施工过程中，受到混凝土收缩、徐变、测量误差、施工误差、气温变化等因素的影响和制约，其变化值在一定范围之内属于正常现象。③上部结构每节段施工的主要施工行为，浇筑混凝土、张拉预应力等都会在不同程度上影响箱梁应力，其中悬臂根部上缘压应力和下缘压应力因混凝土浇筑而减小和增加；而预应力张拉使悬臂根部上缘压应力增加，下缘压应力减小。该研究应用于今后类似工程中对于桥梁施工中梁体受力状态的监测，为桥梁的安全施工提供保障。

关键词：应力监控 转体桥 施工 应用

1 概述

沈阳四环快速路跨越京哈线K679+420立交桥位于四环快速路于K3+667.4处，公路与铁路交叉角度52°。该桥通过转体方式跨越秦沈客专，转体结构布置在承台部位，上部结构为2孔80mT型刚构连续箱梁，箱梁顶宽17.1m，梁高3.6m～7m，梁底为二次抛物线，单幅桥转体重量11800t。对本桥主要监测下转盘应力，以及监测主梁施工悬臂根部纵向应力。对于下转盘应力监测来说，通常情况下主要是对转体荷载作用下下转盘内部混凝土的应力及其变化状况进行监测，从中反映出转动体系的偏心状况。主梁施工悬臂根部截面混凝土内应力随着混凝土浇筑、预应力张拉、脱架后等各个施工阶段的体系转换不同工况发生变化；对两端悬臂根部截面的纵向应力进行观测，同时对两端悬臂平衡状况进行推算，进而为控制与调整整个转体体系旋转前、后的两端平衡状态起到指导作用。

2 应力测试仪器及测试原理

2.1 选择测试仪器

在桥梁施工过程中，由于桥梁施工时间较长，所以需要长期、连续地进行应力监测，对结构的应力情况进行实时、准确的监测，选择方便、可靠、耐久性好的传感组件显得格外重要。根据以往的监测经验，钢弦式传感器具有较好的稳定性和应变积累功能，抗干扰能力强，数据采集方便等优点，将钢弦式传感器应用到本桥的应力监测中。

2.2 测试原理

将钢弦应力计埋入混凝土中，对于钢弦两支点间的弦长来说，在轴向力作用下将会伸长或缩短，进一步使得自振频率发生一系列的变化。对于钢弦的应变值来说，通常情况下，通过测试传感器的自振频率即可得到，同位置上的混凝土应力通过下列公式可以进行计算：σc=Ecεg

式中：σc、Ec、εg分别代表混凝土结构的应力、混凝土的弹性模量、钢弦传感器的应变。

3 监测断面及仪器布置

主梁测试断面选择在悬臂根部和梁的跨中处，测试断面总共8个，如图3-1、3-2所示，显示了主梁测试断面仪器布置情况，在顶板上层钢筋和底板下层钢筋上分别布置钢筋应力计，每个截面布置5根钢弦应变传感器。

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图3-1 全桥应力测点截面纵向布置图

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图3-2 主梁悬臂根部应变测点位置

混凝土应力计按预定的测试方向（梁部结构为桥梁的纵桥向）埋在混凝土中，为测试方便，同一个截面的测试导线引至同一侧的混凝土表面。

4 应力监测技术

4.1 设定钢弦计初值及测试时间

采用支架现浇+转体施工对2-80连续刚构桥进行处理，在各测试断面根据施工控制前期计算结果埋设钢弦计，在初凝后，由于混凝土将发生水化热，进而在一定程度上影响测试结果，所以，在混凝土的初凝时刻，设定一般混凝土应力计的初值，在这种情况下，水化热对测试结果的影响可以进一步的降低。

4.2 混凝土收缩和徐变的影响

对于超静定结构来说，在混凝土收缩和徐变的影响和制约下，将会产生结构次内力，因此，需要采取措施，对混凝土收缩和徐变产生的应力增量进行扣除处理。

在每道工序（如张拉预应力钢筋）之前测一次数据，混凝土的收缩、徐变对测试结果的影响在一定程度上就可以消除。对于工程项目来说，如果工期比较短，工序之间混凝土的收缩、徐变量可以认为很小，在设计要求不严的情况下，可以忽略不计，同时通过采用增量结果的形式对每个阶段进行监测。反之，如果工程项目的工期比较长，需要对测试数据进行处理，在处理方法方面，与分析应力测试数据相同。

4.3 其它影响因素

①混凝土的弹性模量，对于这种影响因素通常情况下根据试验结果进行调整。

②钢弦计本身质量，根据实践经验，在监测过程中，混凝土应力传感器具有较好的稳定性，零点随时间漂移很小。

5 应力测试数据分析

所谓监测施工应变，就是在构件混凝土内埋置传感器，在变形方面，变形测点处的传感器与周围混凝土保持一致性。由于掺入了多种变形，周围混凝土的总应变值可以与传感器的显示数值相等同。在时刻τ承受单轴向应力σ（τ）的混凝土构件，在时刻t测得总应变值ε（t）可用下式表示：

ε（t）=εi（τ）+εc（t）+εs（t）+εT（t）+εV（t）

式中：εi（τ）、εs（t）、εc（t）、εT（t）、εV（t）分别代表加载时初应变、时刻t<τ时的徐变效应、收缩应变、温度应变、构件体积几何尺寸变形引起的应变值。

5.1 混凝土收缩、徐变应变的影响

在桥梁项目施工过程中，混凝土收缩、徐变对主梁结构产生不同程度的影响，这些影响主要表现为：①在收缩、徐变的作用下，预应力钢束逐渐损失应力；②箱梁的挠度发生徐变；③钢筋应力计受收缩、徐变的影响，增加了非受力应变，与理论结果相比，测试结果相差较大，所以从总应变中分离出混凝土的受力应变，进而得到混凝土的实际应力，在这种情况下，测试结果受收缩和徐变的影响可以进一步扣除。

对于混凝土的弹性应变和徐变应变来说，在工作应力的影响和制约下与应力符合线性关系。只要将总应力控制在混凝土强度的50%，这时可以分批施加应力所产生的应变。在τ0时刻施加的初应力σ（τ0），分别在不同的时刻τi（i=1，2，…，n）分阶段施加应力增量Δσ（τi）的混凝土，t时刻总应变为：

ε（t，τ0）=■[1+？渍（t，τ0）+■■[1+？渍（t，τi）]+εs（t，τ0）

式中：σ（τ0）、E（τ）、εs（t，τ0）、？渍（t，τ0）分别代表在τ0时刻施加的初应力、龄期为τ的混凝土弹性模量、混凝土在t时刻的收缩应变、徐变系数，参考公路桥规进行计算。

设每次施加应力增量Δσ（τi）后立即读数，即观察时刻ti=τi，则：

σ（τ0）=■E（τ0）

式中：因后期混凝土收缩徐变的影响减小，所以可以用上式作为计算依据。

Δσ（τ1）=■E（τ1）

5.2 温度影响

通常情况下，大气温度变化直接关系到箱梁混凝土的温度变化，传感器钢弦的应变和自振频率受大气温度的影响将会发生改变，其应力增量为：

dεg=-2εgεg+■

一般情况下，εg<■，则有：

■≈■

因此主梁结构的实际应变为：

εc=εg测-■

实践证明，荷载在日照温度的作用下，在主梁表面40cm的范围内其温度呈现梯度变化，并且温度分布不均匀，反之其它部分的温度趋于平衡分布。对于梁体来说，在纵向纤维的约束下，纵向温度自应力将会出现在梁体截面上，在温度作用下，传感器受主梁的约束使钢弦的应变发生改变。改变量Δεt（y）可由下式计算：

Δεt（y）=αT（y）-（ε0+ky）

式中：α、T（y）、ε0、k分别代表钢弦的热膨胀系数、沿梁高方向的温度梯度、梁高y=0处的变形值、单元梁段挠曲变形后的曲率。

在监测本桥应力的过程中，为了进一步消除温度对测量值的影响，在早晨太阳辐射较小时完成数据读取，同时按试验值修正温度应变。

采集实测数据经过混凝土收缩徐变、温度的影响修正计算出成桥后的应力如表5-1、5-2所示。

6 应力监测

下面给出各测试断面应力监控结果，测试数据由顶板上和底板上的所有仪器取平均值得到，应力以受拉为负，受压为正。

梁体应力监控结果如图6-1～6-4所示。

梁体各个阶段实际应力测试结果与理论结果比较分析，实测值与理论值的误差不超过15%，在这种情况下，可以充分表明该桥施工满足相应的设计要求。在施工工程中，梁体处于安全范围以内。与理论值相比，某些截面的压应力由于应力计预埋位置和温度等因素的影响在一定程度上可能出现较大的偏差，但是仍处于安全范围内。

7 结论

①本桥箱梁采用C50混凝土，在规范容许的范围之内，控制转体前梁体受力最不利阶段和成桥后主桥箱梁混凝土中的正应力，进一步确保结构的安全性。

②实测应力与理论应力相比存在一定的偏差，其原因是各种因素影响实测应力所致。

③在施工过程中，箱梁应力受到混凝土浇筑、预应力张拉等因素不同程度的影响，其中混凝土浇筑使悬臂根部上缘压应力（下缘压应力）减小（增加）；而预应力张拉使悬臂根部上缘压应力（下缘压应力）增加（减小）。

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